Особенности волоконно-оптических измерений

Действительно ли необходимы волоконно-оптические измерения?

Выполнение измерений в небольших оптоволоконных установках не является обычной практикой. Многие установщики, реализующие простой тип сети, предполагают, что если она работает правильно после подключения активных устройств, то даже измерения общего затухания не нужны. Однако это не верное предположение. Существует ряд ситуаций, при которых подключенные активные устройства начинают работать исправно, однако проблемы будут возникать через некоторое время работы сети.

Примером такой ситуации является случай, когда устройства, работающие на длине волны 1310 нм, заменяются устройствами, использующими длину волны 1550 нм. Бывает, что незамеченное ранее повышенное затухание (которое является, например, следствием микро- или макроизгиба кабеля/волокна, очень плохого соединения, грязного разъема или использования некачественного адаптера) приведет к значительной потере сигнала на стороне приемника на большей длине волны.

Другая ситуация с соединениями, постоянно подверженными загрязнению – работа такой сети сопряжена с риском увеличения затухания всех разъемных соединений (разъемов в адаптерах) с течением времени эксплуатации и увеличением количества операций соединения/отключения/коммутации, особенно когда специальный инструмент для очистки не используется. В таких установках необходимо проверять начальное затухание всего оптического пути и следить за тем, чтобы значения не увеличивались значительно. По приведенным примерам стоит делать хотя бы базовую диагностику оптических соединений — даже тогда, когда это не требуется инвестором.

Стоит отметить, что оптический измеритель может быть полезен не только для проверки затухания оптических соединений и каналов. Его часто можно использовать для проверки правильности работы активных устройств, т. е. находятся ли генерируемые ими сигналы в заявленном диапазоне мощностей.

Очистка соединений – прихоть или необходимость?

Очистка коннекторов при прокладке оптоволокна для одних установщиков очевидна, а для других ненужная процедура, считающая, что это только увеличивает затраты на монтаж (инструменты, чистящие картриджи, время, необходимое для прочистки ряда коннекторов). Можно предположить, что здесь правы обе стороны, но следует отметить, что очистка никогда не ухудшит параметры, а в некоторых случаях может сэкономить время, необходимое для устранения неполадок.

В системах, где ключевым параметром, помимо затухания, является коэффициент отражения, т.е. мера того, как разъем отражает падающий сигнал, чрезвычайно важна очистка. Даже незначительное загрязнение разъема может значительно ухудшить его отражательную способность и привести к значительному отражению сигнала в сторону передатчика, что создаст проблемы с его исправной работой.

В небольших локальных системах, таких как оптоволоконные локальные сети или системы видеонаблюдения на базе оптоволоконных кабелей с SFP-модулями и медиаконвертерами, работающими на длине волны 1310 нм, значение коэффициента отражения разъема не так критично. Более того, даже большее затухание на слегка загрязненном разъеме обычно не приводит к исчезновению сигнала на другой стороне. Причина в том, что оборудование, используемое в установках такого типа, обычно предлагает гораздо более высокий бюджет мощности, чем обычно требуется. Многие установщики, выполняющие этот тип установки, не используют никаких чистящих средств. Следует предположить, что большинство из них также не обязаны проводить какие-либо измерения на своих установках. Основное условие, которому они должны соответствовать, — «установка работает».

При измерении параметров оптических сетей очистка разъемов больше не является вопросом выбора и должна выполняться всегда. Для замеров установщик обычно использует те же самые измерительные патч-корды, которые, несмотря на то, что являются разъемами заводского изготовления, со временем загрязняются. Пренебрежение этим действием может привести к серьезным искажениям результатов измерений. Кроме того, в случае рефлектометрических измерений необходимо каждый раз прочищать штекер пускового кабеля, который подключается к гнезду рефлектометра. Многократное вставление и извлечение грязного штекера является наиболее распространенной причиной дефектов рефлектометра, большинство из которых заканчивается дорогостоящей заменой измерительного разъема. Повреждение разъема является прямым следствием его загрязнения. Накопившаяся грязь может, во-первых, поцарапать поверхность наконечника коннектора рефлектометра (в лучшем случае это приведет к "только" неправильным результатам), во-вторых, сильно отразить импульсы, генерируемые прибором. Если установщик выберет широкий импульс и большой диапазон измерений, то серьезное повреждение рефлектометра — лишь вопрос времени.

Цели измерения

Перед покупкой любого измерительного оборудования установщик должен ответить на основной вопрос: с какой целью проводятся планируемые измерения. От этого будет зависеть выбор приборов и методов измерения. Во-вторых, стоит рассмотреть конкретные функции, которые могут пригодиться в работе.

Вопреки видимому, определить «цель измерения» не всегда просто. Часто установщик, не имеющий большого опыта в реализации оптоволоконных установок, должен предоставить «отчет об измерениях» еще менее осведомленному инвестору. Инвестор точно не знает, что требовать, установщик не знает, что нужно найти в отчете об измерениях.

Есть три основных «цели измерения»:

Определение мощности оптического сигнала на конце (концах) оптического волокна (волокон)

Необходимое устройство: измеритель оптической мощности.

В этой ситуации предполагается, что на входе установки или с одной стороны оптического пути находится активное устройство, генерирующее сигнал на определенном уровне мощности (т.е. целевое устройство, которое будет источником сигнала в установке). С помощью измерителя оптической мощности установщик имеет возможность определить уровень сигнала на другой стороне оптического пути, т.е. в месте установки приемного устройства. Хорошей аналогией для этого типа измерений могут быть измерения, проводимые в медных антенных установках, где установщики проверяют с помощью измерителя уровня сигнала, находится ли сигнал на абонентских розетках в заданном диапазоне.

Примером оптических установок, в которых уровень сигнала на приемнике является ключевым вопросом, являются так называемые пассивные оптические сети (PON). Другим случаем могут быть волоконно-оптические телевизионные антенные системы на основе оптических передатчиков и пассивных компонентов, таких как кабели, разветвители, аттенюаторы и оптические приемники.

Важнейшей задачей в таких сетях является обеспечение того, чтобы оптическая мощность на входе приемника попадала в диапазон, указанный производителем. Интересно, что мощность часто оказывается слишком высокой, а не слишком низкой. Это прекрасный пример ситуации, в которой нет особого смысла сообщать о затухании только в оптическом тракте, поскольку, несмотря на превосходные пассивные элементы и соответствующие измерения, система может не работать. Единственным исключением является ситуация, когда сначала прокладывается кабель, а потом монтируются устройства. В этом случае оба параметра (затухание оптического тракта и уровень сигнала приемника) следует проверять отдельно.

В ситуации, когда в отчете об измерениях много пунктов, полезной функцией измерителя может быть возможность сохранять результаты в своей памяти, а затем экспортировать их во внешний файл. Обратите внимание на эту функцию при покупке.

Определение полного затухания оптических путей

Необходимое оборудование: измеритель оптической мощности, стабильный источник излучения, измерительные патч-корды, промежуточный адаптер.

Это, безусловно, наиболее распространенный случай — установщик хочет убедиться, что оптический путь выполнен правильно с точки зрения допустимого общего затухания. Использование измерителя оптической мощности и стабильного источника света представляет собой измерение, выполняемое «методом пропускания». Отчет об измерениях должен включать общее затухание в оптоволоконном соединении для выбранных длин волн. Используя метод передачи, установщик должен выбрать соответствующую длину волны - в зависимости от окна передачи, в котором должна работать линия, или в соответствии с принятыми стандартами. Без определенных требований наиболее полное тестирование должно охватывать все длины волн, характерные для типа используемого волокна, т. е. 850 нм и 1300 нм для многомодовых волокон и 1310 нм, 1550 нм и 1625 нм для одномодовых волокон.

Этот метод предполагает подключение источника сигнала постоянной и известной мощности с одной стороны и измерителя оптической мощности с другой. Результат измерения - это просто разница показаний обоих приборов. Для измерений чаще всего используется логарифмическая шкала. Пример: уровень мощности источника -5 дБм, показания счетчика -10 дБм, поэтому затухание оптического сигнала составляет 5 дБ.

Глядя на диаграмму выше, видно, что результат измерения также учитывает затухание используемых патч-кордов. Чем длиннее и обширнее оптический путь (т.е. содержащий большое количество сростков и разъемных соединений), тем меньше влияние затухания патч-корда на окончательный результат измерения. Однако при измерении короткого оптоволоконного канала, оканчивающегося с обеих сторон разъемами, может оказаться, что влияние затухания при измерении в коммутационном шнуре будет значительным. В крайнем случае, когда патч-корды загрязнены или повреждены, их затухание может составлять большую часть общего затухания.

Решением этой проблемы является осуществление так называемой калибровки измерительной системы (эталонное измерение). Здесь стоит отметить, что некоторые устройства могут не иметь такой возможности – обычно это относится к измерителям, для которых измерение оптической мощности является одной из дополнительных функций (универсальные измерители, измерители мощности, встроенные в оптоволоконные сварочные аппараты и т.п.).

Для этой цели установщик может использовать два патч-корда (с разъемами, соответствующими источнику света и измерителю мощности, и подходящий промежуточный оптический адаптер. Полученное таким образом значение затухания на счетчике сбрасывается нажатием определенной клавиши (зависит от модели устройства) или с использованием других средств, отвечающих за эту функцию, тогда нормальное измерение тестируемого оптического пути не будет содержать компонент, вызванный затуханием измерительного участка патч-корда.

Последним вопросом является интерпретация полученных результатов, которую следует сравнить с теоретическими расчетами затухания для данного оптического пути. В расчетах необходимо учитывать затухание оптического волокна для заданной длины волны, сплавление или механические сращивания и разъемные соединители. Для отдельных элементов приняты следующие значения:

• Длины волн: 
• 850 nm – 3 dB/km,
• 1300 nm – 1 dB/km,
• 1310 nm – 0.35 dB/km,
• 1550 nm – 0.25 dB/km
• сварка: 0,1 дБ (макс. 0,15 дБ)
• разъемное соединение: 0,25 дБ (макс. 0,3 дБ)
• механическая стыковка – согласно техпаспорту, однако практика показывает, что реальное затухание обычно отклоняется от заявленных значений для расчетов и выше: 0,5–0,8 дБ
• прочие пассивные элементы – согласно спецификации

• 4 разъемных соединения: 4 x 0,25 дБ = 1,0 дБ
• 4 сварных соединения: 4 x 0,10 дБ = 0,4 дБ
• сплиттер с четырьмя выходами: 6,7 дБ
• 300 м + 1200 м = 1500 м волокна: 0,35 дБ/км x 1,5 км = 0,52 дБ (при 1310 нм)

Таким образом, расчетное общее затухание составляет [дБ]: 1,0+ 0,4 + 6,7 + 0,52 = 8,62.

Результат фактического измерения не должен существенно отличаться от теоретических расчетов. Конечно, некоторые отклонения в этом отношении допустимы. Измерение, выполняемое самыми дешевыми устройством, обременено погрешностью +/-0,35 дБ или +/-3–5% от измеряемой величины (эти данные можно найти в тех. спецификации). В этом конкретном примере измерение с использованием измерителя L5816 будет иметь погрешность +/-3%. Следовательно, для значений, близких к 9 дБ, эта ошибка составит 0,45 дБ. Это означает, что любой конечный результат в диапазоне 8–9 дБ вполне приемлем, как близкий к теоретическому значению. На практике пределы признания результатов удовлетворительными могут быть даже немного шире.

Определение затухания разъемов, отражательная способность разъемов, длина строки, расстояния между событиями в волоконной линии, влияние микро- и макроизгибов на параметры передачи

Необходимое оборудование: рефлектометр OTDR, пусковой кабель.

В ситуации, когда от установщика требуется предоставить более подробный набор параметров, чем общее затухание оптического пути, применение рефлектометра является обязательным. Это передовое устройство предназначено для измерения коэффициента отражения (отношения отраженной оптической мощности к падающей оптической мощности) разъемов и определения затухания всех событий (помех) на пути передачи.

Несмотря на то, что рефлектометры являются передовыми устройствами, обладающими многими диагностическими преимуществами, общее затухание на оптическом пути следует измерять методом пропускания, т. е. с использованием измерителя оптической мощности и стабильного источника излучения.

Во-первых, метод гарантирует большую точность (в отличие от рефлектометрии измеряет фактическое затухание). Рефлектометры усредняют и анализируют серию измерений. Значения затухания не измеряются напрямую, а рассчитываются программным обеспечением. Что еще более важно, измерения OTDR не включают в себя затухание последнего события в тестируемой оптоволоконной линии, т. е., как правило, подключение измерителя к линии, что может иметь значительное влияние на общее затухание. Эта мертвая зона может быть устранена с помощью пускового кабеля, что, однако, означает, что измерение будет учитывать влияние этого дополнительного соединения кабель-линия.

Во-вторых, используя метод передачи, систему можно откалибровать, чтобы исключить затухание в начальной и конечной точках оптического волокна. Каждый рефлектометр оснащен модулем измерителя мощности, поэтому нет необходимости покупать два отдельных прибора.

Результаты рефлектометрических измерений всегда представляются в двух видах: в виде рефлектограммы (рисунок выше) и так называемой «таблицы событий». Рефлектограмма представляет собой график, показывающий мощность оптического сигнала по всей длине проверяемой оптоволоконной линии. Это позволяет техническому специалисту определить, какие события происходят на данном оптическом пути, и измерить их параметры передачи (такие как затухание и коэффициент отражения). Эти же события также перечислены в таблице. Изображение выше иллюстрирует типичные события, представленные рефлектограммой:

А – начало оптоволоконной линии; пик отражения, вызванный измерительным разъемом

B – падающая кривая, представляющая затухание сигнала в оптическом волокне.

C – место сращивания или изгиба волокна

Д – точка соединения

E – конец оптоволоконной линии

Пример реального измерения, выполненного рефлектометром Grandway FHO3000 L5828.

Как видно из диаграмм, этот тип измерения может предоставить максимальную информацию о тестируемой линии передачи. Это также лучший метод определения причин и мест сбоев в оптических линиях.

В данном конкретном примере оптоволоконная линия состоит из следующих сегментов и компонентов, которые генерируют обнаруженные события:

• 150 м (150 м и 2x 1,5 м коммутационных шнура, всего: 153 м) пускового волокна (расстояние 161 м до первого события обусловлено наличием мертвой зоны – расстояние считается правильно, начиная с 8-го метра).

• событие на 161 метре, отмеченное рефлектометром как стык с затуханием 0,26 дБ. По сути, это соединение пускового кабеля с измеряемой линией. Это высококачественное соединение SC/APC с очень низким коэффициентом отражения и затуханием, типичное для сращивания, было идентифицировано именно как сращивание. В таких ситуациях некоторые установщики «улучшают» рефлектограмму, специально используя грязный разъем, чтобы она носила отражающий характер и становилась видимой на графике.
• мероприятие на 333 м (172 метра волокна от предыдущего мероприятия) — разъемное соединение с затуханием 0,14 дБ и коэффициентом отражения 48,36 дБ (в мероприятии также предусмотрена одна сварка)
• событие на 363 м (30 метров волокна от предыдущего события) — съемный коннектор с затуханием 0,32 дБ и коэффициентом отражения 47,85 дБ (событие также включает один стык)
• событие на 404 метре (41 метр волокна от предыдущего события) – конец анализируемой оптической линии.

Объем информации, предоставляемой этим методом, является его самым большим преимуществом. Для его правильной интерпретации пользователь должен иметь соответствующие знания и опыт в области подготовки к измерениям (установка соответствующих опций в приборе в зависимости от типа и длины измеряемой линии), а также в области анализа полученных результатов. К сожалению, автоматические режимы на практике не очень полезны.

Также стоит добавить, что рефлектометрические измерения необходимо проводить в двух направлениях. Только такие «перекрестные» измерения гарантируют получение правильных значений затухания событий.

Установщики, начинающие эксперименты с рефлектометрическими измерениями, должны знать, что этот метод также имеет свои ограничения. Не каждое событие будет на рефлектограмме. Последовательные события - например разъем и сращивание или два сращивания, выполненные на небольшом расстоянии друг от друга, могут быть обнаружены как одно событие. Это связано с так называемой мертвой зоной – какое-то время после каждого события рефлектометр не способен распознавать последующие события. Зона расширяется с ростом мощности светового импульса, инжектируемого в волокно, и зависит от качества рефлектометра.

Например, мертвая зона затухания (независимо от ширины импульса) рефлектометра FHO3000 L5828 составляет 6 метров. Мертвая зона события зависит от ширины импульса и в случае тестирования коротких каналов с импульсами от 3 нс до 20 нс изменяется от 1 метра до примерно 6 метров. Поэтому теоретически рефлектометр не сможет регистрировать события, расположенные ближе 7–12 м друг от друга. Однако это теоретические значения — на практике расстояния могут быть немного больше из-за отклонения от предположений производителя об отражательной способности события (чем хуже отражательная способность, тем больше мертвая зона после события).

Отсутствие событий на рефлектограмме может быть следствием очень хорошего качества отдельных компонентов оптического пути. Учитывая тот факт, что рефлектометр регистрирует события на основе количества света, отраженного от компонентов (коэффициента отражения), идеально выполненные соединения APC могут быть незамечены прибором. Минимальное значение коэффициента отражения для этого типа разъема составляет 55 дБ. Компоненты хорошего качества имеют значение на уровне 60 дБ или даже более 70 дБ. Это означает, что разъем отражает одну миллионную (60 дБ) падающего света, и рефлектометр должен регистрировать и интерпретировать эту ситуацию! Даже оборудование самого высокого класса может иметь проблемы с обнаружением таких малых значений. Аналогичная ситуация и со сваркой. Технология сварки плавлением сегодня настолько развита, что затухание хорошо сделанного соединения часто близко к 0 дБ. Такие небольшие изменения затухания не могут быть зарегистрированы даже самыми чувствительными измерительными приборами.

У неопытных установщиков могут возникнуть проблемы с интерпретацией таких случаев. Они могут подумать, что отсутствие определенных событий связано с использованием неподходящего измерительного оборудования или недостаточными навыками подготовки измерения. Хотя такие причины возможны, как это ни парадоксально, такой «странный замер» может быть признаком качественно сделанной установки. Основой суждения здесь должна быть осведомленность о предпринимаемых действиях, знание параметров используемого оборудования и способность интерпретировать полученные результаты.